L'uso degli acciai bainitici

C'è un grande mercato per gli acciai con resistenza minore di 1000 MPa con un contenuto totale di elementi di lega che di rado supera il 2% in peso. Gli acciai bainitici si collocano bene per applicazioni in quest'ambito. Tuttavia, per poter ottenere la corretta microstruttura, la progettazione della composizione deve essere fatta con accortezza. Acciai con una temprabilità inadeguata tendono a trasformarsi in miscele di ferrite allotriomorfa e bainite. Solitamente i tentativi di migliorare la temprabilità portano a microstrutture parzialmente martensitiche. La soluzione, quindi, va cercata negli acciai bassolegati e a basso carbonio contenenti piccole quantità di boro e molibdeno per sopprimere la formazione della ferrite allotriomorfa. Il boro ha l'effetto di aumentare la temprabilità bainitica. In presenza di boro l'aggiunta di altri soluti può essere mantenuta a bassi livelli per evitare la formazione della martensite. Una composizione tipica potrebbe essere Fe-0.1C-0.25Si-0.5Mn-0.55Mo-0.003B (% in peso). Acciai di questo tipo possono praticamente essere trasformati in microstrutture completamente bainitiche con una frazione di martensite molto piccola usando trattamenti termici di normalizzazione.

[Rail sections] Gli acciai bainitici più moderni sono progettati con un tenore di carbonio ancora più ridotto e diverse concentrazioni di elementi di lega. Per ottenere la microstruttura bainitica richiesta, questi vengono poi processati usando un raffreddamento accelerato. Il minor contenuto di elementi di lega non dà solo una migliore saldabilità, ma consente di ottenere una più elevata resistenza grazie alla fine microstruttura bainitica.

La classe degli acciai bainitici commerciali comprende: acciai a basso carbonio (ultra low carbon) per un'ottima saldabilità; acciai altoresistenziali (ultra high strength) che possono competere con gli acciai legati a struttura martensitica da tempra e rinvenimento; acciai resistenti allo scorrimento a caldo (creep), che sono usati ormai già da decenni negli impianti di produzione di energia; acciai da forgia che sono migliori degli acciai martensitici perché richiedono tempi di processo molto più brevi, acciai inoculati, in cui la nucleazione della bainite è indotta in posizioni intragranulari per mezzo di particelle al fine di produrre una microstruttura caotica in grado di resistere alla propagazione delle cricche, ecc. Gli acciai altoresistenziali sono costituiti da miscele di ferrite bainitica, martensite e austenite ritenuta. Posseggono un'elevata temprabilità per l'aggiunta di manganese, cromo e nickel e solitamente contengono anche un'alta concentrazione di silicio (circa il 2% in peso) per prevenire la formazione di cementite (Figura). Gli acciai ad alta resistenza contengono un basso livello di impurezze e inclusioni per cui le proprietà dell'acciaio dipendono dalle particelle di cementite la cui formazione deve essere evitata o la cui dimensione deve essere la più fine possibile.

Acciaio                  | C       Si     Mn   Ni   Mo    Cr    V   B       Nb   Altri 
Primo acciaio bainitico  | 0.10   0.25   0.5   -    0.55   -    -   0.003   -    
A basso carbonio         | 0.02   0.20   2.0   0.3  0.30   -    -   0.010   0.05  
Altoresistenziale        | 0.20   2.00   3.00  -    -      -    -   -       -   
Resistente al creep      | 0.15   0.25   0.50  -    1.00   2.3  -   -       -   
Da forgia                | 0.10   0.25   1.00  0.5  1.00   -    -   -       0.10   
Inoculato                | 0.08   0.20   1.40  -    -      -    -   -       0.10   0.012 Ti 

Composizione chimica, % in peso, di alcuni tipici acciai bainitici.

Gli acciai a media resistenza con la medesima microstruttura, ma con un contenuto di elementi di lega un po' ridotto, hanno trovato applicazione nell'industria automobilistica per la costruzione delle barre di rinforzo contro gli impatti laterali. Un altro rilevante contributo all'industria automobilistica è consistito nell'applicazione di acciai bainitici da forgia nella realizzazione di componenti come gli alberi a camme. Questi erano prodotti precedentemente con acciai martensitici attraverso processi di forgia, tempra, rinvenimento, raddrizzatura e infine sottoposti a un trattamento di distensione. Tutte queste operazioni sono ora sostituite da un raffreddamento controllato dalla temperatura di forgia, necessario per generare la microstruttura bainitica, con risparmi economici tali che, nel caso specifico, hanno determinato il passaggio dell'intera unità produttiva da perdite a profitti.

Gli acciai bainitici resistenti allo scorrimento a caldo sono stati usati con successo nell'industria di produzione dell'energia fin dai primi anni '40. La loro temprabilità deve essere tale da consentire di ottenere componenti di dimensioni fino a 1 metro di diametro con una struttura bainitica in tutta la sezione per mezzo di un raffreddamento continuo.

Inoculando una quantità controllata di inclusioni non metalliche nell'acciaio fuso si può indurre la nucleazione intragranulare della bainite su di esse invece che sui bordi grano austenitici. La bainite nucleata all'interno dei grani è denominata 'ferrite aciculare'. Questa microstruttura è molto caotica e ha una elevata capacità a deflettere l'avanzamento delle fratture. Attualmente gli acciai inoculati sono disponibili commercialmente e vengono utilizzati in particolari applicazioni strutturali come, per esempio, gli impianti di perforazione nell'industria di estrazione del petrolio in cui i materiali operano in ambienti aggressivi.

I progressi nella tecnologia della laminazione permettono di raffreddare rapidamente le lamiere durante il processo di laminazione senza provocare distorsioni indesiderate. Questo ha portato allo sviluppo di 'acciai da raffreddamento accelerato' che hanno una microstruttura bainitica, possono essere formati e competono con i tradizionali acciai da laminazione in controllo.